Франций

Франций — элемент главной подгруппы первой группы седьмого периода периодический системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 87. Обозначается символом Fr (лат. Francium). Простое вещество франций — радиоактивный щелочной металл, обладающий максимально высокой восстановительной химической активностью.

История

Этот элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как «эка-цезий»), и был открыт (по его радиоактивности) в 1939 году Маргаритой Перей, сотрудницей Института радия в Париже. Она же дала ему в 1946 году название в честь своей родины — Франции.

Нахождение в природе

Франций — один из редчайших элементов. Среди элементов, постоянно существующих в земной коре, только астат имеет меньшее содержание. Весь природный франций является радиогенным, его радиоактивный распад компенсируется одновременным возникновением новых атомов франция в качестве промежуточных продуктов распада урана-235 и тория-232. Общее содержание франция в земной коре оценивается в 340 граммов.

Изотопы

На 2012 год известно 34 изотопа франция с массовыми числами 199—232 и 7 метастабильных ядерных изомеров. В природе (в качестве продуктов радиоактивного распада урана и тория) содержатся два изотопа: ²²³Fr и ²²⁴Fr. Франций-223 (самый долгоживущий из изотопов франция, период полураспада 22,3 минуты) входит в одну из побочных ветвей природного радиоактивного ряда урана-235 и содержится в крайне малых количествах в урановых минералах. Исследования свойств франция проводят с индикаторными количествами нуклида ²²³Fr (менее 10⁻¹⁵ г), так как из-за отсутствия долгоживущих изотопов франций невозможно получить в весовых количествах. Образуется при альфа-распаде актиния-227:

²²⁷Ac → ²²³Fr (сопровождается α-излучением, вероятность распада приблизительно 1,4 %),

²²⁷Ac → ²²⁷Th (сопровождается β-излучением, вероятность распада около 98,6 %).

Старое название франция-223 — «актиний К» (AcK). По оценкам, его равновесное содержание в земной коре равно 340 г.

Также в одной из побочных ветвей радиоактивного ряда тория содержится франций-224 с периодом полураспада 3,0 минуты. Его равновесное содержание в земной коре составляет лишь 0,5 г.

Получение

Микроскопические количества франция-223 и франция-224 могут быть химически выделены из минералов урана и тория. Другие изотопы франция получают искусственным путём с помощью ядерных реакций.

Одна из наиболее распространённых ядерных реакций для получения франция:

 ₇₉¹⁹⁷Au + ₈¹⁸O → ₈₇²¹⁰Fr + 5₀¹n

Интересно, что в данной реакции используется золото. С помощью этой реакции могут быть также синтезированы изотопы с массовыми числами 209 и 211 (с вылетом соответственно шести и четырёх нейтронов). Однако все эти изотопы распадаются быстро (период полураспада ²¹⁰Fr и ²¹¹Fr — три минуты, а ²⁰⁹Fr — 50 секунд).

Физические и химические свойства

Франций похож по свойствам на цезий. Всегда сокристаллизуется с его соединениями. Практически все соединения франция растворимы в воде. Релятивистские эффекты 6p-оболочки делают связь франция с кислородом в супероксидах, например, состава FrO₂, более ковалентной, по сравнению с супероксидами других щелочных металлов.

Так как в распоряжении исследователей имеются лишь мельчайшие образцы, содержащие не более 10⁻⁷ г франция, то сведения о его физических свойствах могут быть определены только путём расчета, основываясь на данных для стабильных щелочных металлов. Согласно таким расчетам, плотность франция при комнатной температуре составляет 1,87 г/см³, температура плавления 27 °C, температура кипения 677 °C, удельная теплота плавления 9,385 кДж/кг.

Потенциал ионизации атома франция-212 из основного состояния был экспериментально измерен с высокой точностью на масс-сепараторе радиоактивных ядер ISOLDE в ЦЕРНе, где этот изотоп производится путём облучения протонами карбидно-урановой мишени с интенсивностью до 10¹⁰ атомов в секунду (ток пучка 2 пикоампера). В терминах обратной длины волны ионизационный потенциал равен 32 848,872(9) см⁻¹, что соответствует 4,0727409(11) эВ/атом, или 392,95976(11) кДж/моль.

Франций имеет самую низкую электроотрицательность из всех элементов, известных в настоящее время. Соответственно, франций является и самым химически активным щелочным металлом.

Бурно реагирует с водой, образуя самую сильную щёлочь — гидроксид франция FrOH. Гидрид FrH и оксид франция Fr₂O ведут себя подобно аналогичным соединениям цезия, то есть бурно реагируют с водой, образуя гидроксид.

Хлорид, нитрат, сульфат, фторид, сульфид, гидроксид, карбонат, ацетат и оксалат франция хорошо растворимы в воде. Плохо растворимы перхлорат, пикрат, иодат, хлороплатинат, хлоровисмутат, хлороантимонат, хлоростаннат, нитрокобальтат франция. Франций экстрагируется нитробензолом в присутствии тетрафенилбората натрия. Соосаждается с простыми и двойными солями цезия и с солями гетерополикислот (кремневольфрамовой, фосфорновольфрамовой и др.).

Применение

В настоящее время франций и его соединения имеют мало практических применений в связи с малым периодом полураспада и высокой радиоактивностью. Франций-223 используется для быстрого определения актиния-227 в природных объектах.

Биологическая роль и воздействие

Франций подобно рубидию и цезию накапливается в почках, печени, слюнных железах и ткани саркомы, поэтому изотопы ²²³Fr и ²¹²Fr используются в биологических исследованиях и для диагностики рака.